基于Deform-3D的支柱锻造工艺分析

文/朱岩，陈士伟，李跃刚，林德峰·中车齐齐哈尔车辆有限公司

支柱是铁路货车制动系统中的关键零部件，影响着铁路货车的运行品质和行车安全。利用Deform-3D模拟软件对支柱进行数值模拟，对成形过程的速度场、温度场、应力场、应变场及打击力进行了分析，揭示了支柱锻造过程的成形规律，成形效果良好，验证了锻造方案、模具设计及设备选型的合理性，最终应用到了实际生产中。

支柱是铁路货车制动系统中的关键零部件，安装于制动梁中间位置(图1)，与制动杠杆和游动杠杆相连，起到传递制动力和牵引力的作用，直接影响着铁路货车的运行品质和行车安全。支柱成品如图2所示，材质为Q235A。由于支柱外形尺寸较为复杂，传统的试错法，会增加制造成本，延长试制周期，因此采用有限元分析技术揭示支柱的成形规律，对实际生产提供指导是十分必要的。

模拟方案制定

根据我公司现有设备，锻压设备选择2500t高能螺旋压力机，采用中频感应炉进行加热，经过工艺分析，支柱毛坯设计如图3所示，选用φ70mm的圆钢作为原材料，坯料加热温度为1150℃～1200℃，模具预热温度为150℃～200℃，加热将坯料放置在终锻模中心，稳定后进行终锻。

锻造模拟过程分析

前处理模拟参数设定

坯料网格划分数量为76521个；上模速度设为300mm/s，每步步进0.75mm，库伦摩擦系数设定为0.3；选用性能近似Q235A材质的AISI-1025钢作为替代材料进行模拟，考虑到坯料加热后搬运过程中的热损失，设置坯料锻造前温度为1150℃，上下模具温度为150℃，设置模拟过程中环境温度为20℃，与空气对流换热系数为0.02N/smm℃，坯料与模具热传导系数为11N/smm℃。

模拟前初始状态

采用Creo2.0软件进行支柱模具三维建模，如图4所示，为了使坯料放置时更加平稳，将坯料斜置于支柱尾部型腔中进行定位，坯料与模具的初始位置如图5所示。

变形过程分析

当上模接触到坯料并向下挤压时，前后两侧多余金属被挤压出模具型腔，此时支柱头部开始成形，如图6(a)所示；被挤出的多余金属迅速冷却，变形抗力增加，在桥部形成阻力带，有利于金属填充深处型腔，此时支柱头部逐渐成形如图6(b)所示，随着上模继续向下运动，支柱整体逐渐挤压成形，支柱中间部位最晚参与变形，部分金属开始流向模具飞边桥部,如图6(c)所示，当变形过程运行到100步时，高度方向上的多余金属沿桥部流入仓部，金属充满模樘，无缺肉位置，此时变形完成,如图6(d)所示。

温度场、应力场、应变场分析

对坯料成形过程的温度场进行分析，在整个终锻过程中坯料与模具、环境进行热交换。图7为坯料终锻完成时的温度场分布，坯料初始温度为1150℃，从模拟结果可以看出，坯料心部温度基本未发生变化，而与型腔接触的外表面温度稍有下降，但仍保持在1050℃左右，头部温度下降最大；由图8可以看出，头部也是等效应力最大的位置，等效应力值达到180MPa，反映出此处是抗力最大的位置，整体等效应力分布较为均匀；由图9等效应变分布可以看出，坯料成形后期，头部的应变较大，金属变形最剧烈。

打击力分析

图10为支柱成形过程中所需的打击力-位移曲线，支柱成形过程中所需的最大成形力为2360t，2500t螺旋压力机可以满足工艺需求。

生产验证

通过对支柱成形过程进行模拟，验证了锻造方案、毛坯设计、模具设计以及锻造设备选型的合理性，并且该方案已经运用到实际生产中，支柱毛坯产品如图11所示，实际生产中，支柱各位置充填饱满，棱角清晰，飞边分布均匀。

结论

利用Deform-3D模拟软件对支柱的成形过程进行数值模拟，对其成形过程、温度场、应力场、应变场及打击力进行了分析，得出以下结论：

⑴支柱在成形过程中，整体温度下降较小，头部的变形抗力最大，变形最剧烈，各位置充型良好，没有缺肉等缺陷，支柱成形过程中所需的最大成形力为2360t。

⑵通过模拟分析，揭示了支柱锻造过程的成形规律，验证了锻造方案、模具设计及设备选型的合理性，为实际生产提供了准确的预测，最终生产出合格的支柱产品。